基于單片機(jī)串口實(shí)現(xiàn)1-Wire總線(xiàn)通信的方法

李 多，陳 軍

（東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211189）

1-Wire總線(xiàn)是Dallas半導(dǎo)體公司推出的一種半雙工串行總線(xiàn)，它采用單根信號(hào)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)微控制器（主機(jī)）與接口器件（從機(jī)）之間的雙向通信，每個(gè)從機(jī)具有唯一的工廠(chǎng)光刻ID作為地址。

1-Wire總線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于總線(xiàn)擴(kuò)展，可以通過(guò)總線(xiàn)為器件供電。1-Wire器件種類(lèi)豐富，典型器件包括溫度傳感器、存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電池管理等。在低功耗儀表、工業(yè)控制及家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，1-Wire總線(xiàn)獲得了廣泛應(yīng)用。

1-Wire總線(xiàn)協(xié)議通常采用軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于實(shí)時(shí)性高且無(wú)操作系統(tǒng)的單片機(jī)，該方式難以提高單片機(jī)效率，同時(shí)極大地降低了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。本文提出了一種基于單片機(jī)串口的1-Wire總線(xiàn)協(xié)議的軟硬件設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1-Wire總線(xiàn)通信和單片機(jī)效率、實(shí)時(shí)性的兼顧。

1 1-Wire總線(xiàn)協(xié)議簡(jiǎn)析

1-Wire總線(xiàn)的單根信號(hào)線(xiàn)兼有地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)的功能，因此，訪(fǎng)問(wèn)1-Wire器件要嚴(yán)格遵循總線(xiàn)協(xié)議以保證數(shù)據(jù)完整性。

1-Wire總線(xiàn)協(xié)議定義了初始化脈沖、寫(xiě)脈沖和讀脈沖3類(lèi)總線(xiàn)信號(hào)，其主要區(qū)別在于，總線(xiàn)上高低電平時(shí)間不同，下面分別對(duì)它們進(jìn)行簡(jiǎn)析。

1.1 初始化脈沖

1-Wire總線(xiàn)協(xié)議規(guī)定任何與1-Wire器件的通信需要以初始化脈沖作為同步。初始化脈沖包括復(fù)位信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)輸出低電平并維持 480 μs，然后 釋 放 總 線(xiàn) ， 完 成 復(fù) 位 。 等 待 15 μs～60 μs， 如 果 存在 1-Wire 器件， 則總線(xiàn)上出現(xiàn)維持 60 μs～240 μs低電平應(yīng)答信號(hào)。初始化脈沖信號(hào)波型如圖1所示。

圖1 初始化脈沖信號(hào)波形

1.2 寫(xiě)脈沖

每個(gè)寫(xiě)脈沖主機(jī)可向從機(jī)傳送1 bit數(shù)據(jù)，通常為從機(jī)控制命令。1-Wire總線(xiàn)協(xié)議規(guī)定其典型長(zhǎng)度為60 μs，以保證從機(jī)接收數(shù)據(jù)的完整性。主機(jī)輸出低電平并維持60 μs后釋放總線(xiàn)，為寫(xiě)0時(shí)序；主機(jī)輸出低電平并維持15 μs內(nèi)釋放總線(xiàn)，為寫(xiě)1時(shí)序。寫(xiě)脈沖信號(hào)波形如圖2所示。

圖2 寫(xiě)脈沖信號(hào)波形

1.3 讀脈沖

每個(gè)讀脈沖從機(jī)可向主機(jī)傳送1 bit數(shù)據(jù)，通常為從機(jī)數(shù)據(jù)信息。只有主機(jī)發(fā)出讀脈沖時(shí)序，1-Wire器件才在總線(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù)。1-Wire總線(xiàn)協(xié)議規(guī)定主機(jī)必須在15 μs內(nèi)采樣總線(xiàn)，才能正確讀取從機(jī)數(shù)據(jù)。讀脈沖信號(hào)波形如圖3所示。

圖3 讀脈沖信號(hào)波形

2 1-Wire總線(xiàn)與單片機(jī)串口接口設(shè)計(jì)

2.1 硬件接口

1-Wire總線(xiàn)協(xié)議規(guī)定主機(jī)和從機(jī)必須通過(guò)集電極開(kāi)路或漏極開(kāi)路結(jié)構(gòu)才能連接到總線(xiàn)，以允許器件在空閑時(shí)釋放總線(xiàn)，并且總線(xiàn)需要外接上拉電阻才能正常通信。

1-Wire器件一般具有漏極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，可直接連接至總線(xiàn)。但單片機(jī)的串口引腳一般具有內(nèi)部上拉電阻，采用單片機(jī)串口實(shí)現(xiàn)1-Wire通信時(shí)，不能直接連接至總線(xiàn)。

鑒于上述原因，本文設(shè)計(jì)了一種基于分立元件的單片機(jī)串口與 1-Wire器件（以 DS18B20[2]為例）的硬件接口電路，如圖4所示。該接口電路簡(jiǎn)單，并且經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明其性能可靠，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)串口與1-Wire總線(xiàn)的電氣連接。

圖4 1-Wire總線(xiàn)硬件接口原理圖

2.2 通信協(xié)議接口

單片機(jī)串口采用1 bit起始位、8 bit數(shù)據(jù)位、1 bit停止位的工作方式，發(fā)送時(shí)由LSB至MSB逐位發(fā)送。

（1）初始化脈沖

設(shè)置波特率為9600b/s，即每1 bit的寬度為104.2 μs，發(fā)送數(shù)據(jù)0xf0，則起始位和低4 bit構(gòu)成復(fù)位信號(hào)，高4 bit為1，即釋放總線(xiàn)。如總線(xiàn)上無(wú)應(yīng)答信號(hào)，則串口接收的數(shù)據(jù)等于0xf0，否則說(shuō)明總線(xiàn)上有應(yīng)答信號(hào)。

（2）讀寫(xiě)脈沖

設(shè)置波特率為115200b/s，即每1 bit的寬度為8.7 μs，完整的發(fā)送過(guò)程持續(xù) 87 μs，滿(mǎn)足讀寫(xiě)脈沖至少 60 μs的協(xié)議要求。起始位、停止位分別用來(lái)啟動(dòng)、終止讀寫(xiě)脈沖。寫(xiě)脈沖中，根據(jù)串口發(fā)送不同數(shù)據(jù)區(qū)分別實(shí)現(xiàn)寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序；讀脈沖中，串口發(fā)送數(shù)據(jù)0xff，起始位實(shí)現(xiàn)讀脈沖時(shí)序的啟動(dòng)，LSB為1，此時(shí)，主機(jī)釋放并采樣總線(xiàn)，起始位與LSB共維持17.4 μs，滿(mǎn)足協(xié)議對(duì)讀時(shí)序的要求。根據(jù)串口接收的數(shù)據(jù)最低位即可區(qū)分從機(jī)發(fā)送至總線(xiàn)的數(shù)據(jù)。

采用串口實(shí)現(xiàn)1-Wire總線(xiàn)通信的本質(zhì)在于將3類(lèi)總線(xiàn)信號(hào)與不同波特率下不同數(shù)據(jù)的串口收發(fā)過(guò)程建立聯(lián)系，初始化脈沖對(duì)應(yīng)2次串口收發(fā)的過(guò)程，讀寫(xiě)脈沖則對(duì)應(yīng)1次串口收發(fā)的過(guò)程[4]。具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 通信協(xié)議接口映射表

3 1-Wire總線(xiàn)應(yīng)用——DS18B20

DS18B20是1-Wire總線(xiàn)的集成數(shù)字溫度傳感器，其精度高、體積小，在智能儀器儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)應(yīng)用方式是采用一根I/O引腳配合軟件延時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議，1-Wire總線(xiàn)協(xié)議需要微秒級(jí)時(shí)間分辨率，在通信過(guò)程中必須關(guān)閉系統(tǒng)所有中斷，否則極容易因?yàn)橹袛喾?wù)程序的執(zhí)行而造成通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。但是關(guān)閉中斷降低了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，使得系統(tǒng)不能及時(shí)響應(yīng)外部請(qǐng)求。對(duì)于任務(wù)少、實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)，這種做法是可行的，但是對(duì)于任務(wù)多且無(wú)操作系統(tǒng)的單片機(jī)，以初始化脈沖為例，在至少 960 μs的時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)都會(huì)被1-Wire總線(xiàn)占用，效率大為降低，實(shí)時(shí)性難以保證。

基于單片機(jī)串口中斷實(shí)現(xiàn)1-Wire協(xié)議，并配合狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)與DS18B20通信，為上述問(wèn)題提出了解決方案。由于串口的收發(fā)都是通過(guò)硬件完成，因此數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中單片機(jī)可以處理其他任務(wù)，在實(shí)現(xiàn)1-Wire通信的同時(shí)，兼顧了實(shí)時(shí)性和效率。

通信程序包括中斷服務(wù)程序和通信狀態(tài)機(jī)。中斷服務(wù)程序?yàn)槲锢韺樱瓿蓴?shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)收發(fā)，并通過(guò)全局變量標(biāo)識(shí)總線(xiàn)的狀態(tài)；通信狀態(tài)機(jī)為DS18B20協(xié)議層，將對(duì)DS18B20的訪(fǎng)問(wèn)劃分為子狀態(tài)，根據(jù)表1將對(duì)DS18B20的不同操作轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，依次完成狀態(tài)轉(zhuǎn)移。通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示[4]。

圖5 通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

本文提出了一種基于單片機(jī)串口的1-Wire總線(xiàn)通信方式，結(jié)合1-Wire器件DS18B20詳細(xì)介紹了其軟硬件設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)1-Wire通信方式，本文提出的方式提高了單片機(jī)效率，兼顧了1-Wire通信和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，為多任務(wù)且無(wú)操作系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用1-Wire器件提供了新的解決方案。

[1]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐 （第二版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[2]Maxim.DS18B20 datasheet[Z].2008.

[3]Maxim.Application note 214：using a UART to implement a 1-Wire bus master[Z].2002.

[4]ATMEL.AVR318：Dallas 1-Wire master[Z].2004.